(57)【要約】【課題】３％を越える高い比屈折率差Δにおいても吸収損失の小さくかつ屈折率制御性が高く緻密な高品質のＳｉＯＮ膜をコアとする、光導波路型の光素子が提供できるようにする。【解決手段】基板１０１の表面を熱酸化することで膜厚１０μｍ程度の酸化シリコン膜を形成することで、基板１０１の上に下部クラッド層１０２が形成された状態とする。次に、下部クラッド層１０２の上にＥＣＲプラズマＣＶＤ法により膜厚３μｍのＳｉＯＮ膜を堆積する。ついで、堆積形成したＳｉＯＮ膜を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより微細加工することで、下部クラッド層１０２の上にコア１０３が形成された状態とする。【選択図】  図１
2006047462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成されたＳｉＯＮからなるコアと、
このコアを覆うように形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と
から構成された光導波路を備え、
前記コアは、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により形成されたＳｉＯＮより構成されている
ことを特徴とする光素子。
【請求項２】
請求項１記載の光素子において、
前記コアは、シランと酸素と窒素とからなる原料ガス、四塩化シリコンと酸素と窒素とからなる原料ガスの少なくとも１つを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により形成されたＳｉＯＮより構成されている
ことを特徴とする光素子。
【請求項３】
請求項１記載の光素子において、
前記下部クラッド層の上に形成された組成遷移層を備え、
前記コアは前記組成遷移層を介して前記下部クラッド層の上に形成され、
前記組成遷移層は、前記コアの側に近づくほど窒素の添加量が徐々に増加する酸化シリコンから構成されている
ことを特徴とする光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光素子において、
前記光導波路の端部に連続して配置されたモードフィールド変換部を備え、
前記モードフィールド変換部は、
前記コアと同一材料から構成されて先端にいくほど幅が狭くなる形状のテーパ部コアと、
このテーパ部コアを覆う前記コアより屈折率の低いＳｉＯＮから構成されたＳｉＯＮコアと
から構成されていることを特徴とする光素子。
【請求項５】
基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層が形成された状態とする第１工程と、
前記下部クラッド層の上に、シランと酸素と窒素とからなる原料ガス，四塩化シリコンと酸素と窒素とからなる原料ガスの少なくとも１つを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯＮの膜が形成された状態とする第２工程と、
前記ＳｉＯＮの膜の上にフォトリソグラフィ技術によりマスクパターンが形成された状態とする第３工程と、
カーボンとフッ素とを含むガスを用いたドライエッチングにより前記ＳｉＯＮの膜を選択的にエッチングし、断面矩形のＳｉＯＮからなるコアが形成された状態とする第４工程と、
前記コアを覆うように酸化シリコンからなる上部クラッド層が形成された状態とする第５工程と
を備え、
前記コアから構成された光導波路を形成する
ことを特徴とする光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の光素子の製造方法において、
前記下部クラッド層の上に、前記コアの側に近づくほど窒素の添加量が徐々に増加する酸化シリコンから構成された組成遷移層を形成した後、前記コアを形成する
ことを特徴とする光素子の製造方法。
【請求項７】
請求項５記載の光素子の製造方法において、
前記第４工程では、前記コアとともにこのコアに連続して先端にいくほど幅が狭くなる形状のテーパ部コアが形成された状態とし、
前記テーパ部コアを覆う前記コアより屈折率の低いＳｉＯＮから構成されたＳｉＯＮコアが形成された状態とした後、前記上部クラッド層が形成された状態とし、
前記光導波路の端部に連続して配置されたモードフィールド変換部が形成された状態とする
ことを特徴とする光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸窒化シリコンを材料として用いた導波路構造の光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信用光デバイスに広く利用されている光導波路では、光の吸収が少ない導波路材料が求められている。また、導波路材料には、高い設計の自由度が得られるために、屈折率が所定の範囲で制御可能であることも求められている。
これまで、光導波路のコアの材料としてＧｅＯ2ドープのＳｉＯ2やＴｉＯ2ドープのＳｉＯ2が用いられ、クラッドにはＳｉＯ2が主に用いられてきた。
【０００３】
ＧｅＯ2やＴｉＯ2のドープにより屈折率を高くすることができるが、ＧｅＯ2及びＴｉＯ2は、ＳｉＯ2に対するドープ量に限界があり、比屈折率差Δで示せば２％以下であった。比屈折率差Δは、コアの屈折率をｎcore、クラッドの屈折率をｎcladとしたとき、Δ＝（ｎcore−ｎclad）／ｎcore×１００、で表されコアとクラッドの屈折率差を示す１つの指標である。
【０００４】
近年、光デバイスの小型化、高集積化の要求が高まってきたことから、比屈折率差Δの高い光導波路の実現が求められてきている。比屈折率差Δを大きくすれば、シングルモード条件を満たすコア寸法が小さくなり、かつ小さな曲げ半径の光導波路が得られ、結果として光デバイスの小型化が可能になるからである。この目的のため、ＳｉＯ2にＮをドープしたＳｉＯＮの導波路が検討され始めている。ＳｉＯ2にＮをドープすることでＳｉＯＮとなるが、ＳｉＯＮを用いた導波路はＮのドープ量により、酸化膜の屈折率１．４５から窒化膜の屈折率２．０２の間の屈折率が得られると考えられ、比屈折率差Δが２％以上の導波路の作製も可能となる。
【０００５】
ＳｉＯＮの膜を形成する方法としては、屈折率制御性，成膜速度，成膜面積の観点から工業的生産における要求を満たすものとして、平行平板型電極を用いて高周波放電を行うプラズマ励起化学的気相成長法（ＰＥＣＶＤ法）が広く使われている。
図１３は、従来より用いられている平行平板型電極を用いたプラズマＣＶＤ装置である。この装置は、処理室１３０１内に、シャワー電極１３０２と下部電極１３０３とを備える。シャワー電極１３０２と下部電極１３０３とには、高周波電源１３０４により高周波が印加可能とされ、これらで平行平板電極が構成されている。
【０００６】
シャワー電極１３０２には、下部電極１３０３との対向面に複数のガス突出孔を備え、原料ガスを均一に供給可能としている。また、シャワー電極１３０２は、絶縁部材１３０５を介して処理室１３０１の上面に固定され、ガス供給管１３０６に連通し、処理室１３０１の外部より原料ガスの導入を可能としている。
また、処理室１３０１の内部は、排気装置１３０７により所定の圧力にまで真空排気される。
【０００７】
図１３に示す装置によれば、ガス供給管１３０５→シャワー電極１３０２の経路により、シャワー電極１３０２と下部電極１３０３との間に原料ガスを導入し、高周波電源１３０４からの高周波を印加することにより、平行平板電極間にプラズマ１３１０を発生させる。このように発生したプラズマにより、導入している原料ガスを分解，励起し、下部電極１３０３の上に配置されている基板ＷにＳｉＯＮの膜を形成可能としている。
【０００８】
図１３に示す装置を用いたＳｉＯＮの膜を形成において、原料ガスとしてはＳｉＨ4／Ｏ2／ＮＨ3の混合ガス、またはＳｉＨ4／Ｎ2Ｏ／ＮＨ3の混合ガスが用いられ、膜の形成中（成膜中）の処理室１３０１内の圧力は数１０Ｐａ〜１００Ｐａ程度である。
上述した方法によるＳｉＯＮの膜を形成では、ＳｉＨ4とＮ2Ｏの流量比とＮＨ3の添加流量で膜中のＮのドープ量が変わるため、屈折率をある程度の範囲で制御することができる。
【０００９】
図１４は、ＳｉＨ4とＮ2Ｏの流量比と屈折率との関係を、ＮＨ3の添加流量毎に示した相関図である（非特許文献１参照）
図１４からわかるように、ＳｉＨ4とＮ2Ｏの流量比の変化により、ＳｉＯＮの屈折率が変化するが、ＳｉＨ4とＮ2Ｏの流量比が小さいほど、言い換えると、ＳｉＨ4の割合が小さいほど高い屈折率が得られている。この場合、高い屈折率を得るためには、成膜の速度が大幅に低下する条件となる。一方、これらの中で、ＮＨ3の添加流量が多いほど、より高い屈折率が得られている。従って、成膜の速度をあまり遅くせずに高い屈折率を得るためには、ＮＨ3の添加すればよい。
【００１０】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】R.Germann, et.al.,"Silicon Oxynitride Layers for Optical Waveguide Applications" Journal of The Electrochemical Society, 147 (6), pp.2237-2241 (2000).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の平行平板電極を用いたプラズマＣＶＤ法で形成されたＳｉＯＮを比屈折率差Δ３％以上の高屈折率差導波路に適用しようとした場合、次のような問題が生じた。
（１）プラズマＣＶＤ法で形成されたＳｉＯＮ膜中に、ＳｉＨ4とＮＨ3から発生する水素を多量に含むため、上記膜中にＯ−Ｈ基やＮ−Ｈ基やＳｉ−Ｈ基が存在し、これらが光を吸収するため損失が大きいという問題があった。特に、ＮＨはこの倍音にあたる吸収が通信波長帯の１５１０ｎｍ付近に存在し、このままでは導波路には使えないという問題があった。さらに、Ｎのドープ量を増やし比屈折率差Δを大きくすると、ＮＨの吸収がますます強くなってしまうことも問題であった。
【００１２】
（２）Ｏ−ＨやＮ−ＨやＳｉ−Ｈの吸収を減らし損失を下げるために、１１００℃以上の高温で数時間のアニールの処理を行い膜中の水素量を減らしていたが、従来のプラズマＣＶＤ法で作製される膜は緻密な膜でないため、アニールすると膜厚が１割以上も薄くなり、また、屈折率が変化し、精度の高い導波路の量産をする上で問題となっていた。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、３％を越える高い比屈折率差Δにおいても吸収損失の小さくかつ屈折率制御性が高く緻密な高品質のＳｉＯＮ膜をコアとする、光導波路型の光素子が提供できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る光素子は、基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成されたＳｉＯＮからなるコアと、このコアを覆うように形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層とから構成された光導波路を備え、コアは、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により形成されたＳｉＯＮより構成されているようにしたものである。
従って、コアは、ＮＨが低減された状態で形成されている。
【００１４】
上記光素子において、コアは、シランと酸素と窒素とからなる原料ガス、四塩化シリコンと酸素と窒素とからなる原料ガスの少なくとも１つを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により形成されたＳｉＯＮより構成されていればよい。
また、上記光素子において、下部クラッド層の上に形成された組成遷移層を備え、コアは組成遷移層を介して下部クラッド層の上に形成されているようにしてもよく、組成遷移層は、コアの側に近づくほど窒素の添加量が徐々に増加する酸化シリコンから構成すればよい。
【００１５】
また、上記光素子において、光導波路の端部に連続して配置されたモードフィールド変換部を備えるようにしてもよく、モードフィールド変換部は、コアと同一材料から構成されて先端にいくほど幅が狭くなる形状のテーパ部コアと、このテーパ部コアを覆うコアより屈折率の低いＳｉＯＮから構成されたＳｉＯＮコアとから構成すればよい。
【００１６】
また、本発明に係る光素子の製造方法は、基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層が形成された状態とする第１工程と、下部クラッド層の上に、シランと酸素と窒素とからなる原料ガス，四塩化シリコンと酸素と窒素とからなる原料ガスの少なくとも１つを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯＮの膜が形成された状態とする第２工程と、ＳｉＯＮの膜の上にフォトリソグラフィ技術によりマスクパターンが形成された状態とする第３工程と、カーボンとフッ素とを含むガスを用いたドライエッチングによりＳｉＯＮの膜を選択的にエッチングし、断面矩形のＳｉＯＮからなるコアが形成された状態とする第４工程と、コアを覆うように酸化シリコンからなる上部クラッド層が形成された状態とする第５工程とを備え、コアから構成された光導波路を形成するようにしたものである。なお、ＳｉＯＮの膜を８００℃以下で熱処理するようにしてもよい。
【００１７】
上記光素子の製造方法において、下部クラッド層の上に、コアの側に近づくほど窒素の添加量が徐々に増加する酸化シリコンから構成された組成遷移層を形成した後、コアを形成するようにしてもよい。
また、上記光素子の製造方法において、第４工程では、コアとともにこのコアに連続して先端にいくほど幅が狭くなる形状のテーパ部コアが形成された状態とし、テーパ部コアを覆うコアより屈折率の低いＳｉＯＮから構成されたＳｉＯＮコアが形成された状態とした後、上部クラッド層が形成された状態とし、光導波路の端部に連続して配置されたモードフィールド変換部が形成された状態としてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、コアが、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により形成されたＳｉＯＮより構成されているようにしたので、ＮＨが低減された状態にできるなど、３％を越える高い比屈折率差Δにおいても吸収損失の小さくかつ屈折率制御性が高く緻密な高品質のＳｉＯＮをコアとする、光導波路型の光素子が提供できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における光素子の構成例を示す模式的な断面図である。本素子の構成について説明すると、単結晶シリコンからなる基板１０１の上に酸化シリコンからなる膜厚１０μｍ程度の下部クラッド層１０２を備え、下部クラッド層１０２の上に酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）からなるコア１０３を備える。下部クラッド層１０２は、例えば基板１０１の表面を熱酸化することで形成できる。
【００２０】
また、本素子は、コア１０３を覆うように形成された、酸化シリコンからなる膜厚１０μｍ程度の上部クラッド層１０４を備える。コア１０３は、比屈折率差が３％とされ、断面の寸法が３×３μｍである。コア１０３の断面サイズや各クラッドの厚さは、比屈折率差３％とした場合の値であり、目的のデバイスによって比屈折率差を変えた場合は、各寸法を適宜設定する。
【００２１】
次に、図１に示す光素子の製造方法について説明する。
まず、基板１０１の表面を熱酸化することで膜厚１０μｍ程度の酸化シリコン膜を形成することで、基板１０１の上に下部クラッド層１０２が形成された状態とする。次に、下部クラッド層１０２の上にＥＣＲプラズマＣＶＤ法により膜厚３μｍのＳｉＯＮ膜を堆積する。
【００２２】
ついで、堆積形成したＳｉＯＮ膜を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより微細加工することで、下部クラッド層１０２の上にコア１０３が形成された状態とする。例えば、カーボンとフッ素とを含むガスを用いたリアクティブイオンエッチングによりＳｉＯＮ膜を選択的にエッチングすることで、コア１０３の微細加工が実現できる。この後、コア１０３を含む下部クラッド層１０２の上に酸化シリコン膜を形成することで、上部クラッド層１０４が形成された状態とする。
【００２３】
ここで、上述したＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯＮ膜の形成について説明する。ＥＣＲプラズマＣＶＤ法では、まず、図２に示すＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いる。本装置は、プラズマ生成室２０１の周囲に磁気コイル２０４を備え、プラズマ生成室２０１内部の適当な領域にＥＣＲ条件を満たす磁界（８７５ガウス）を発生させ、成膜室２０２内においてはプラズマ流２１０の形でイオンを引き出すための発散磁界を形成させる。
【００２４】
酸素、窒素ガスをガス導入管２０９を通してプラズマ生成室２０１に導入し、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管２０５より石英窓２０６を介してプラズマ生成室２０１に導入してプラズマを生成する。ＳｉＨ4ガスはガス導入管２０８により成膜室２０２の基板台２０３近傍に供給され、基板２０９の近傍で酸素、窒素プラズマと反応し基板２０９の表面にＳｉＯＮ膜を形成する。このときプラズマ流２１０中に発生する電界により加速されたイオンが、基板２０９の表面に入射し衝撃を与えこのエネルギーにより、膜形成反応が促進され、緻密な高品質膜が形成される。
【００２５】
基板台２０３には、図示していないがヒーターが埋め込まれ、成膜中の基板２０９の温度を、例えば２００℃程度に維持可能としている。基板２０９の上に形成される膜の均一性を高めるため、基板台２０３を傾けて回転させる機構を備えるようにしてもよい。
【００２６】
図２に示すようなＥＣＲプラズマＣＶＤ装置は、プラズマ生成にＥＣＲ条件を用いているため、０．０１〜１Ｐａの低ガス圧で安定にプラズマを生成でき、膜の形成では、０．１〜０．５Ｐａ程度のガス圧を用いればよい。このように、ＥＣＲプラズマは、低ガス圧，高エネルギー電子の特徴から、従来のプラズマＣＶＤ法に比較して、導入ガス分子の分解、励起、イオン化が著しく向上する。さらに、本装置構成では、イオンは発散磁場の効果によって成膜室２０２内の基板台２０３にまで引き出され、低エネルギーのイオン衝撃によって基板表面での膜形成反応を促進する。
【００２７】
図３は、図２に例示したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により形成したＳｉＯＮ膜の屈折率の制御性を調べた結果である。ＳｉＨ4ガスの流量を２０sccm一定とし、酸素と窒素の総流量を４５sccmに一定とし、窒素流量を０から４５sccmまで変化させて膜厚１５０ｎｍ程度に成膜し、エリプソメータで波長６３２．８ｎｍでの屈折率を測定した結果である。なお、成膜中のガス圧は０．２３Ｐａ、マイクロ波パワーは５００Ｗである。
【００２８】
酸素・窒素の混合比を変えると、屈折率が１．４７から１．９６まで変化していることが分かる。従って、供給する酸素・窒素の混合比を聖書具することで、形成するＳｉＯＮ膜の屈折率を安定に制御できる。また、成膜速度も、０．１μｍ／ｍｉｎ以上と実用的な値である。ＥＣＲプラズマを用いると、酸素及び窒素ガスの混合比により屈折率が広く制御できる理由は、次のように考えられる。
【００２９】
プラズマを用いて成膜反応を誘起するには、分子を分解するため結合エネルギー以上のエネルギーを、外から与える必要がある。熱によりエネルギーを供給する場合、結合エネルギーを越える熱エネルギーを与えて分子の振動を励起させれば、分子は分解する。しかしプラズマのように電子衝突により分子を励起することで起こる分解は、分子の中の電子が、解離ポテンシャル曲線を持つ状態に励起することで解離する直接解離反応か、一度、束縛ポテンシャル曲線を持つ励起状態に励起し、この後、解離ポテンシャルに乗り移って解離する解離反応によるかのどちらかの反応をたどる。
【００３０】
このため、電子衝突により分解するエネルギーは、結合エネルギーより高いエネルギーを必要とする。また、このエネルギーは、分子の励起状態のポテンシャル曲線の形に大きく依存するため、各々の分子で異なっている。例えば、酸素（Ｏ2）分子は、熱解離エネルギーは５．０８ｅＶ、電子衝突による解離エネルギーは７ｅＶである。また、窒素（Ｎ2）は、熱解離エネルギーが９．７６ｅＶに対し、電子衝突による解離エネルギーは２４．３ｅＶである（小沼光晴：プラズマと成膜の基礎、日刊工業新聞社）。
【００３１】
このように、窒素は、プラズマ中で解離させるには高いエネルギーを持った電子が必要で、従来のプラズマでは１０ｅＶ以下の電子が主であるため、解離が起こりにくく、窒素の分圧によっては、形成するＳｉＯＮ膜の屈折率を制御できない。一方、従来プラズマより２，３桁低い圧力で動作するＥＣＲプラズマは、２０〜３０ｅＶの高エネルギー電子が多く存在するため、Ｎ2も効率よく分解でき、膜中に効率よくＮ原子をドープできる。
【００３２】
従って、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によれば、Ｎ2の分圧を変えるだけで屈折率を広い範囲で制御できることになる。このように、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯＮをコアに用いれば、シリコン酸化膜をクラッドとすることで比屈折率差２０％の導波路も同じガスで作製できる。なお、ＳｉＨ4（シラン）の代わりに四塩化シリコン（ＳｉＣｌ4）を用いても同様である。
【００３３】
次に、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法で形成したＳｉＯＮによるコア１０３を備えた図１に示す光導波路型の素子と、従来のプラズマＣＶＤ法で形成したＳｉＯＮのコアを用いた導波路型の素子との差について説明する。
図４に示すように、ＯＨ，ＮＨの吸収ピークは、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法で形成したコア１０３では大幅に低減されている。これは、低ガス圧下で、適度のイオン衝撃を与えて成膜反応させるＥＣＲプラズマの特徴が、水素の脱離に有効であるためである。
【００３４】
水素の完全除去にはアニールが有効であるが、以降に説明するように、図１に示す素子によれば、より低温のアニールで水素の除去が容易に行えるようになる。図５は、ＳｉＯＮ膜中のＮＨの含有量のアニール温度依存性を従来よりある素子と図１に示す素子とで比較した結果を示す特性図である。ＳｉＯＮの屈折率は、１．５０のものを用い含有量は赤外分光法で得られた吸収スペクトル強度より見積もった。
【００３５】
ＥＣＲプラズマを用いた図１に示す素子では、８００℃の加熱処理によりＮＨは無くなっている。このように、図１に示す素子によれば、より低温でのアニールでＮＨが低減できるので、光デバイスなどの作製に適用するとき有利である。言い換えると、本実施の形態によれば、８００℃以下の熱処理で、形成したＳｉＯＮ膜よりＮＨが低減できる。
【００３６】
ここで、プラズマＣＶＤ法について説明する。
プラズマＣＶＤ法による膜の形成反応は、（１）ガス分子の分解、（２）基板の表面への付着、（３）結合反応、の３つの段階に分けられる。（３）の反応は膜の最終的性質を決めるため重要である。しかし、従来のプラズマＣＶＤ法では、（１），（２）の反応を引き起こすには有効であるが、（３）の反応は基板の加熱によって促進させようとしているため、必ずしも十分ではなく、この結果、水素を多量に含み緻密性の低い膜となっていた。
【００３７】
この膜質の問題は、低いガス圧力下で、プラズマの高活性化とともに適度のエネルギーのイオン衝撃で基板上の膜形成反応を促進させることができるＥＣＲプラズマを利用したＣＶＤ法によって解決できる。
ＥＣＲプラズマＣＶＤ法は、０．１Ｐａ程度の低ガス圧で安定にプラズマを生成でき、電子のエネルギーも高いため、イオン化率が従来のプラズマＣＶＤ法より２〜３桁高い。また、成膜室の内部に形成される発散磁場によりプラズマ流中のイオンを基板の方向に加速する電界が発生する。この結果、適度なエネルギーを持ったイオンが基板に衝突しイオン衝撃を与える。
【００３８】
このエネルギーは１０〜２０ｅＶであり、基板に損傷を与えることなく膜形成反応を促進する効果を持つ。イオンの割合を高くし、適度なエネルギーで基板の表面を衝撃することにより、ＥＣＲプラズマＣＶＤによる成膜中に、高温熱反応と同様の水素放出効果、結合促進効果、アニール効果が低温下で実現できる．さらにＥＣＲプラズマＣＶＤ法は、低ガス圧力下での成膜反応であるため水素の放出に有利となる。これらの効果の結果、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯＮ膜は水素の含有量が小さくかつ緻密で高品質な膜となる。
【００３９】
また、従来のプラズマでは上記（１）のガス分子の分解もプラズマ中の電子エネルギーが低いため、分解の効率がよくなかったが、ＥＣＲプラズマは低ガス圧で作動し、かつ高エネルギー電子（２０〜３０ｅＶ）が多量に存在するため、解離エネルギー、イオン化エネルギーが高く従来のプラズマでは分解、イオン化されにくいＮ2も効率よく分解し、イオン化できる。
【００４０】
この結果、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法では、ドープする窒素の供給源として従来のＮ2ＯやＮＨ3ではなくＮ2ガスを使えるため、効率よくＮをドープでき、またＮのドープ量を精度よく制御性でき、ＳｉＯＮの屈折率をＯ2ガスとＮ2ガスの割合だけで１．４５〜２．０の広い範囲で容易に制御できる。このため、従来法では屈折率制御に欠かせないＮＨ3を使う必要がないため、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によれば水素の含有量が小さいＳｉＯＮ膜を形成できる。
【００４１】
また、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法では、単純にＯ2ガスとＮ2ガスだけでＳｉＯＮにおけるＯとＮの割合を変えて屈折率を制御できるため、作製される膜の屈折率の安定性、再現性が高い。屈折率を大きく変える場合も、別のガスを加える必要はなく同じガス構成で成膜できるため、装置を安定に運用できる。
【００４２】
次に、図１に示した導波路型の素子の適用例について説明する。図６は、アレイ導波路（ＡＷＧ）の基本的な構成を示す平面図であり、多重化された信号光は入射導波路６０１より入射し、分波されて出射導波路６０２より出射する。入射した信号光は、入射側スラブ導波路６０３を通り、アレイ導波路６０５及び出射側スラブ導波路６０４を通過することで、分波される。
【００４３】
ここで、入射側スラブ導波路６０３，出射側スラブ導波路６０４，及びアレイ導波路６０５は、図７に示す導波路となっている。まず、単結晶シリコンからなる基板１０１の上に、基板１０１を熱酸化することで形成した下部クラッド層１０２を備える。下部クラッド層１０２の屈折率は、１．４６４である。下部クラッド層１０２の上には、組成遷移層７０１を介してコア１０３が形成されている。コア１０３の屈折率は、例えば１．５１であり、断面の寸法は、３×３μｍである。また、コア１０３は、屈折率１．４６４の酸化シリコンからなる上部クラッド層１０４に覆われている。組成遷移層７０１以外は、図１に示した素子と同様である。
【００４４】
このように構成した導波路では、比屈折率差が３％と閉じこめが強いため、入射導波路６０１、出射導波路６０２、アレイ導波路６０５は半径０．５ｍｍで曲げることができ、この結果１ｃｍ角内にＡＷＧを作り込むことができる。
【００４５】
このＡＷＧは次のように作製される。まず、単結晶シリコンからなる基板を熱酸化炉に入れドライ酸化により下部クラッド層となるシリコン熱酸化膜を膜厚１０μｍ程度に形成する。次に、上記基板をＥＣＲプラズマＣＶＤ装置に搬入して固定し、まずＯ2プラズマにより基板の表面をクリーニングする。この後、ＳｉＨ4ガスを導入し、下部クラッド層の上にシリコン酸化膜を数ｎｍ程度堆積する。このとき、ガス圧力を０．１Ｐａ程度の低圧条件を用いることで、比較的高いエネルギーを持つイオンを基板（下部クラッド層）に照射することで、密着性の高い酸化膜が堆積できる。
【００４６】
次に、窒素ガスの導入を開始し、所定の屈折率（１．５１）のＳｉＯＮが形成できる条件までＳｉＨ4ガス、Ｏ2ガス、窒素ガスの流量を徐々に増加させる。この過程で、上記シリコン酸化膜の上に窒素濃度が徐々に増加する酸化膜から目的のＳｉＯＮ膜への組成遷移層が数ｎｍから１０ｎｍ形成される。組成遷移層は、必要ではないが、これにより物質構造の急激な変化を防止でき膜の密着性が高まる。組成遷移層の上に屈折率１．５１のＳｉＯＮ膜を時間で制御して３μｍ堆積する。
【００４７】
次にフォトレジストを基板の上にスピンコートし、光露光法によりＡＷＧ導波路用のレジストパターンを形成する。この後、レジストをマスクにカーボンフロライド系のガスを用いたリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯＮを加工し、導波路の形状となるＳｉＯＮコアが形成された状態とする。
【００４８】
エッチングマスクに用いたレジストをアッシングなどの方法で除去した後、ＳｉＯＮコアを覆う上部クラッド層として屈折率１．４６のシリコン酸化膜を、例えばＥＣＲプラズマＣＶＤ法で７μｍ程度堆積する。この後、窒素雰囲気中で熱処理してＳｉＯＮ膜中の水素原子を脱離させれば、図６に示すＡＷＧが得られる。このように作製されたＡＷＧは、小型で良好な特性を示している。
【００４９】
次に、本発明の実施の形態における他の光素子について説明する。
比屈折率差を大きくすると導波路コアの断面サイズは小さくなり、急峻な曲げが可能になるため、形成できるデバイスの大きさをさらに小さくできる。しかし、小型なデバイスは、光ファイバーなどの外部回路と接続するとき、モードフィールドサイズが大きく違うため結合損失が大きい。従って、比屈折率差をさらに高くしたＳｉＯＮ導波路においては、光ファイバーとの結合損失を低減するために、モードフィールドサイズを大きくする必要がある。
【００５０】
図８，９は、モードフィールドサイズを変換可能な素子の構成例を示す平面図と断面図である。本素子は、図８の平面図に示すように、導波路領域８１１とこの両端に接続するモードフィールドサイズ変換領域（モードフィールド変換部）８１２とから構成されている。全ての領域において、単結晶シリコンからなる基板８０１の上に酸化シリコンからなる膜厚１０μｍ程度の下部クラッド層８０２を備え、下部クラッド層８０２の上には、組成遷移層７０１を備える。
【００５１】
導波路領域８１１においては、組成遷移層７０１の上にＳｉＯＮからなるコア８０３を備える。コア８０３は、例えば屈折率１．６４とした高屈折率コアであり、断面の寸法が１．２×１．２μｍである。
また、モードフィールドサイズ変換領域８１２においては、組成遷移層７０１の上にＳｉＯＮからなるテーパ部コア８０３ａを備える。テーパ部コア８０３ａは、コア８０３に連続して形成されている。テーパ部コア８０３は、先端にいくほど幅が狭くなる形状で、コア８０３より漸次断面積が小さくなっている。
【００５２】
また、導波路領域８１１においては、コア８０３を含む組成遷移層７０１の上にＳｉＯＮコア８０５を備え、モードフィールドサイズ変換領域８１２においては、テーパ部コア８０３ａを含む一部の組成遷移層７０１の上にＳｉＯＮコア８０４を備える。ＳｉＯＮコア８０４，８０５は、屈折率が１．５０とされ、膜厚３μｍ程度に形成されている。
これらＳｉＯＮコア８０４，８０５の最上層には、屈折率１．４６５の酸化シリコンからなる上部クラッド層８０６が形成されている。
【００５３】
図８，９に示す素子の製造方法について簡単に説明すると、まず、基板８０１の表面を熱酸化することで、厚さ１０μｍ程度の下部クラッド層８０２が形成された状態とした後、この上に、前述したＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、組成遷移層７０１を形成し、引き続き、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、屈折率１．６４のＳｉＯＮ膜を形成し、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工し、コア８０３及びテーパ部コア８０３ａが形成された状態とする。
【００５４】
ついで、同様のＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、屈折率１．５０のＳｉＯＮ膜を３μｍ程度に形成した後、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより、モードフィールドサイズ変換領域８１２におけるＳｉＯＮコア８０４が形成された状態とする。ついで、窒素雰囲気中で熱処理してＳｉＯＮ膜中の水素原子を脱離させた後、屈折率１．４６５の上部クラッド層８０６を１０μｍ程度に形成して完成させる。
【００５５】
ところで、図１０，１１に示すように、部分的に屈折率１．５程度のＳｉＯＮのパターンを設けることで、モードフィールドサイズ変換領域８１２を形成するようにしてもよい。本例では、モードフィールドサイズ変換領域８１２においては、テーパ部コア８０３ａを覆うように、屈折率１．５０のＳｉＯＮからなるＳｉＯＮコア９０４を備え、導波路領域８１１においては、コア８０３が上部クラッド層８０６に直接覆われているようにした。この構成では、導波路領域８１１においては、コア８０３の上部、下部とも、酸化し遺恨から構成されている状態となり、屈折率は上下対象となる。この結果、導波路は偏波依存性を抑制することができる。
【００５６】
図１２は図１０，１１に示したモードフィールド変換部の付いた光導波路型の光素子の製造過程を示す工程図である。まず、図１２（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなる基板８０１を熱酸化し、基板８０１の上に膜厚５〜１０μｍ程度の下部クラッド層８０２が形成された状態とする。ついで、前述したＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、組成遷移層７０１及び屈折率が１．６４程度のＳｉＯＮ膜８２３が形成された状態とする。
【００５７】
ここで、組成遷移層７０１の形成について説明すると、まずＯ2のＥＣＲプラズマにより下部クラッド層８０２の表面をクリーニングした後、ここにＳｉＨ4ガスを導入し、下部クラッド層８０２の上に酸化シリコン膜が数ｎｍ程度堆積した状態とする。次に、Ｏ2，ＳｉＨ4ガスに加えて窒素ガスを導入し、所定の屈折率（１．５１）のＳｉＯＮが形成できる条件までＯ2ガス、ＳｉＨ4ガス、窒素ガスの流量を徐々に増加させる。この過程で、初期に形成した酸化シリコン膜の上に窒素濃度が徐々に増加して目的のＳｉＯＮ膜へ組成が遷移する組成遷移層７０１が形成できる。
【００５８】
次に、図１２（ｂ）に示すように、公知のフォトリソグラフィ技術により所望のレジストパターン１２２がＳｉＯＮ膜８２３の上に形成された状態とする。
次に、レジストパターン１２２をマスクにＳｉＯＮ膜８２３を選択的にエッチングすることで、図１２（ｃ）に示すように、下部クラッド層８０２の上に、組成遷移層７０１を介してコア８０３及びテーパ部コア８０３ａが形成された状態とする。
【００５９】
次に、ステンシルマスクを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法による選択的な堆積で、図１０に示したモードフィールドサイズ変換領域８１２に、屈折率が下部クラッド層８０２より高くコア８０３より低い膜厚３〜７μｍ程度のＳｉＯＮ膜を形成する。ついで、公知のフォトリソグラフィ技術により、図１０に示したＳｉＯＮコア９０４となる領域にレジストパターンを形成する。
【００６０】
この後、形成したレジストパターンをマスクとして上記ＳｉＯＮ膜をドライエッチングすることで、図１２（ｄ）に示すように、所定の領域でコア８０３及びテーパ部コア８０３ａを覆うＳｉＯＮコア９０４が形成された状態とする。図１２（ｄ）では、レジストパターンを除去した後の状態を示している。
最後に、膜厚７〜１５μｍ程度の酸化シリコン膜を堆積することで、図１２（ｅ）に示すように、上部クラッド層８０６が形成された状態とすれば、図１０，１１に示した光素子が製造された状態となる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態における光素子の構成例を示す模式的な断面図である。
【図２】ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の構成例を示す模式的な断面図である。
【図３】図２に例示したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により形成したＳｉＯＮ膜の屈折率の制御性を調べた結果を示す特性図である。
【図４】ＥＣＲプラズマＣＶＤ法で形成したコア１０３におけるＯＨ，ＮＨの吸収ピークを示す特性図である。
【図５】ＳｉＯＮ膜中のＮＨの含有量のアニール温度依存性を従来よりある素子と図１に示す素子とで比較した結果を示す特性図である。
【図６】アレイ導波路（ＡＷＧ）の基本的な構成を示す平面図である。
【図７】入射側スラブ導波路６０３，出射側スラブ導波路６０４，及びアレイ導波路６０５の構成を示す模式的な断面図である。
【図８】モードフィールドサイズを変換可能な素子の構成例を示す平面図である。
【図９】モードフィールドサイズを変換可能な素子の構成例を示す断面図である。
【図１０】モードフィールドサイズを変換可能な素子の構成例を示す平面図である。
【図１１】モードフィールドサイズを変換可能な素子の構成例を示す断面図である。
【図１２】図１０，１１に示したモードフィールド変換部の付いた光導波路型の光素子の製造過程を示す工程図である。
【図１３】従来より用いられている平行平板型電極を用いたプラズマＣＶＤ装置の構成図である。
【図１４】ＳｉＨ4とＮ2Ｏの流量比と屈折率との関係を、ＮＨ3の添加流量毎に示した相関図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…コア、１０４…上部クラッド層。
【図１】
2006047462.tif 000003
【図２】
2006047462.tif 000004
【図３】
2006047462.tif 000005
【図４】
2006047462.tif 000006
【図５】
2006047462.tif 000007
【図６】
2006047462.tif 000008
【図７】
2006047462.tif 000009
【図８】
2006047462.tif 000010
【図９】
2006047462.tif 000011
【図１０】
2006047462.tif 000012
【図１１】
2006047462.tif 000013
【図１２】
2006047462.tif 000014
【図１３】
2006047462.tif 000015
【図１４】
2006047462.tif 000016